室内空气品质研究现状与发展

科技综述

室内空气品质研究现状与发展

清华大学　李先庭☆　杨建荣　王　欣

提要　从室内空气品质的定义、室内空气品质的评价、室内空气品质问题的起因、通风与

室内空气品质的关系、提高室内空气品质的手段等5个方面介绍了国内外有关研究工作的现状。

关键词　室内空气品质　通风　综述

Statusanddevelopmentofindoorairqualityresearch

ByLiXianting★,YangJianrongandWangXin

Abstract　Overviewstheaspectsintheresearchof(1)definitionofIAQ;(2)evaluationofIAQ;(3)factorsresultinginIAQproblems;(4)relationshipbetweenventilationandIAQ;and(5)meanstobeadoptedinimprovingIAQ.

Keywords　indoorairquality,ventilation,overview★TsinghuaUniversity,China

0　引言内空气品质的研究状况做一定的总结。

1　室内空气品质定义的发展

在过去的20多年中,长期生活和工作在现代建筑物内的人们表现出越来越严重的病态反应,这一问题引起了专家学者们的广泛重视,并很快提出了病态建筑(sick

building)和病态建筑综合症(SBS,sickbuildingsyndrome)的

室内空气品质定义在这20几年中经历了许多变化。最初,人们把室内空气品质几乎完全等价为一系列污染物浓度的指标。近年来,人们认识到这种纯客观的定义已经不能完全涵盖IAQ的内容,于是,对室内空气品质的定义进行了不断发展。

在’89室内空气品质讨论会上,丹麦哥本哈根大学教授P.O.Fanger提出:品质反映了满足人们要求的程度,如果人们对空气满意,就是高品质;反之,就是低品质[3]。英

国的CIBSE(CharteredInstituteofBuildingServices

Engineers)认为:如果室内少于50%的人能察觉到任何气

概念。根据世界卫生组织(WHO)1983年的定义,病态建筑综合症是因建筑物使用而产生的症状,包括眼睛发红、流鼻涕、嗓子疼、困倦、头痛、恶心、头晕、皮肤瘙痒等[1]。近年来,有些专家学者建议将人们对室内气味产生的不满也纳入到病态建筑综合症中[2]。大量调查分析表明,人们全天有超过80%的时间在室内度过,在这种情况下,SBS的问题主要是由于室内空气品质(IAQ)不佳而引起。

由于室内空气品质的原因,人们的身心健康和工作效率受到很大影响,一些现代化密闭写字楼的工作人员受到的影响尤其明显。与此同时,由室内空气品质间接引起的社会工作效率降低和病休、医疗费用等社会问题也受到了广泛的关注。另一方面,为了改善室内空气品质,很可能需要增加建筑和空调系统的初投资及维护费用,这给业主和工程维护人员也提出了新的课题。

鉴于以上种种原因,人们已经认识到解决室内空气品质问题的重要性与迫切性,IAQ问题已成为当前建筑环境领域内的一个研究热点。从20世纪70年代末开始,国内外的专家学者在这方面做了大量的研究工作,但目前尚缺乏对室内空气品质问题系统全面的认识。本文将对目前室

味,少于20%的人感觉不舒服,少于10%的人感觉到黏膜刺激,并且少于5%的人在不足2%的时间内感到烦躁,则可认为此时的室内空气品质是可接受的[4]。这两种定义的共同点是都将室内空气品质完全变成了人们的主观感受。

近年,ASHRAE标准6221989R[5]中,首次提出了可接

受的室内空气品质(acceptableindoorairquality)和感受到的可接受的室内空气品质(acceptableperceivedindoorair

　☆李先庭,男,1967年10月生,工学博士,副教授

100084北京市海淀区清华大学热能工程系

(010)62782746

收稿日期:1998-11-04

稿件修回日期:1999-09-10

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quality)等概念。其中,可接受的室内空气品质定义如下:

・37・

内空气品质及提高室内空气品质的较为实用的具体工作流程[7]。但现阶段仍缺乏实质性的研究和权威性的评价方法。

随着计算机技术的发展,利用计算流体力学对室内空气流动进行数值模拟的方法应运而生。数值模拟方法通过求解质量、动量、能量、气体组份质量守恒方程和粒子运动方程,得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度、空气龄等参数,从而分析评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等。数值模拟方法具有周期短、费用低等特点,并且能够预先进行,因此近10年来得到了长足的发展。随着计算机运算速度的提高、计算流体模型的完善,数值模拟方法将会成为室内空气品质客观评价的有效工具。

3　室内空气品质问题的起因调查

空调房间中绝大多数人没有对室内空气表示不满意,并且空气中没有已知的污染物达到了可能对人体健康产生严重威胁的浓度。感受到的可接受的室内空气品质定义如下:空调空间中绝大多数人没有因为气味或刺激性而表示不满。它是达到可接受的室内空气品质的必要而非充分条件。由于有些气体,如氡、CO等没有气味,对人也没有刺激作用,不会被人感受到,但却对人危害很大,因而仅用感受到的室内空气品质是不够的,必须同时引入可接受的室内空气品质。

ASHRAE标准6221989R中对IAQ的描述相对于其他

定义,最明显的变化是它涵盖了客观指标和人的主观感受两个方面的内容,比较科学和全面。例如,CIBSE便指出自己跟舒适相关的上述定义中,没有考虑诸如电磁波等无异味、但可能对人体有潜在危害的物质。这从某种程度上也反映了大多数组织和学者对ASHRAE标准6221989R中两类定义的认同。

2　室内空气品质的评价

为了了解室内空气品质的状况及其影响因素,以便更好地研究和解决病态建筑综合症,国内外许多学者对不同类型建筑中的室内空气品质进行了调查、分析和评价,其中比较有代表性的见文献[13～17]。

这些调查多采用问卷调查与现场测试相结合的方法。问卷调查的内容一般包括:①周围环境状况,如温度、湿度、灯光、噪声、吹风感、异味、灰尘、静电等;②职业状况,如工作满意程度、工作压力、工作环境等;③病态建筑综合症状况,如困倦、头痛、眼睛发红、流鼻涕、嗓子疼、恶心、头晕、皮肤瘙痒、过敏等;④个人资料,如性别、年龄、是否抽烟、是否有过敏史等。现场测量内容一般包括:一氧化碳、二氧化碳、甲醛、尼古丁、悬浮粒子、温度、相对湿度、风速、照度等。调查结果显示,引起室内空气品质问题的原因从大的

方面可分为两类:一是暖通空调(HVAC)系统设计或运行不当;二是各类污染源产生的污染物作用。当然两者并非完全独立,例如某些气体污染有时也可以解释为通风不足。

第一类原因一般包括:①通风和气流组织问题。如新风量不足,室内气流组织不好等;②热舒适性问题。当室内未达到希望的温湿度时,由于对热状况的不满,人们也会对

IAQ产生抱怨。

伴随室内空气品质的定义发展起来的是室内空气品质的评价。室内空气品质评价是人们认识室内环境的一种科学方法,它是随着人们对室内环境重要性认识不断加深而提出的新概念。由于室内空气品质涉及到多学科的知识,它的评价应由集中建筑技术、建筑设备工程、医学、环境监测、卫生学、社会心理学等多学科的综合研究小组联合工作来完成。当前,室内空气品质评价一般采用量化监测和主观调查结合的手段进行。其中的量化监测是指直接测量室内污染物浓度来客观了解、评价室内空气品质,而主观评价是指利用人的感觉器官进行描述与评判工作

[6,7]

。

客观评价的依据是人们受到的影响跟各种污染物浓

度、种类、作用时间之间的关系,同时还利用了空气龄(air

age)、换气效率(airexchangeefficiency)、通风效能系数(ventilationeffectiveness)等概念和方法

[8～12]

。由于室内往

往是低浓度污染,这些污染物长期作用时对人体的危害还不太清楚,它们影响人体舒适与健康的域值和剂量也不清楚。大量的测试数据表明,室内这些长期低浓度的污染即使在IAQ状况恶化、室内人员抱怨频繁时也很少有超标的。另外,室内有成千上万种空气污染同时作用于人体,选用哪些污染物作为客观评价的标准还需进行大量的研究。所以室内空气品质的客观评价有其局限性。另一方面,人们的反应跟其个体特征密切相关,即使在相同的室内环境中,人们也会因所处的精神状态、工作压力、性别等因素不同而产生不同的反应。因此,对室内空气品质的评价必须将上述各种主观因素考虑在内。但人的感觉往往受环境、感情、利益等方面影响,这会使主观评价出现倾向性。

国外对此进行了大量的研究,内容包括对大量建筑进行客观评价、主观评价,或二者相结合,或室内空气品质与人体热舒适性评价相结合

[13]

第二类原因一般包括:①由于室外大气环境的恶化,由新风吸入口或门窗等进入的污染物;②交叉污染,这往往由于设计时各房间的压力分布不当而导致地下停车场、打印室、吸烟区、餐厅等处散发的污染物流入建筑的其它区域;③室内污染,如室内办公设备、装璜、家具、人员等产生的污染物;④微生物污染,常由空调凝水或漏水造成。

大多数的调查还发现,女性对IAQ的反应比男性更敏感;不同工作环境、工作压力下的受调查者反应也不同,如

靠近视频显示设备(VDU)或复印设备的人员受到更多SBS的困扰。

综合多个调查结果,可以将IAQ问题分作主观和客观两个方面。室内的各种物理参数,如温湿度、各种固体和气体污染物浓度等客观参数对IAQ确实产生影响,这些是影

。国内也有学者提出评价室

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响室内空气品质的客观因素(当前人们还不能完全明白这

些因素对人体到底能产生多大的影响以及如何产生影响);另一方面,人们心理状况、对外界的反应敏感度、性别(暂且将性别归入主观一类)等主观因素的差异也会造成对IAQ的不同反应。

4　室内空气品质影响因素分析

统新风机组中只含粗效过滤器的状况,变为新风机组中除含粗效过滤器外,还包含中效甚至亚高效过滤器的设计模式[19]。这种设计最大优点是极大降低由新风带入室内的尘菌浓度,同时在一定程度上延长系统部件的寿命[20]。需要指出的是,目前新风过滤主要考虑室外颗粒污染

物(及附着其上的微生物)的除去,而室内空气品质涉及到的除室外污染外,更多是室内微生物污染和气态污染的影响。因此新风三级过滤对IAQ问题解决的作用到底有多大,新风过滤器是否应该考虑其他室外污染物(如汽车尾气、SO2)的过滤等问题,仍然有待进一步的讨论。

4.2　污染物的影响

研究室内空气品质的目的就是找出多数人可以承受的客观因素,即可接受的室内空气品质,然后利用现有的各种技术实现或创造出所需要的客观环境。从前面的调查结果可以看出,除去人的主观因素外,影响室内空气品质的因素主要有两个方面:①暖通空调系统设计或运行不当;②污染物产生及去除。下面就将其中涉及到的新风、污染物和气流组织等3个问题逐一进行分析。

4.1　新风问题

污染物的种类有多种,它们对人体产生的影响有很大差异;另外,每一种污染物有它自身的污染源。这两方面研究的内容不同,但它们对分析解决IAQ问题却同样重要。

4.2.1　污染物种类

新风量和新风清洁程度是新风问题中的两个方面,现代空调设计中应该充分将它们综合考虑,以保证室内空气品质。

4.1.1　新风量

广义上的污染物包括了固体颗粒、微生物和有害气体。考虑其中微生物多依附于固体颗粒或液滴传播,所以笔者更趋向于将污染物分为颗粒污染物和有害气体污染物,其中的颗粒污染物包括固体颗粒和微生物。

颗粒污染物根据其粒径的大小,分别会感染人体的呼吸道和肺部。附着在颗粒上传播的各种微生物和菌类也会造成呼吸道感染,产生如流行性感冒、结核等症状。气态污染物种类繁多,除CO,CO2,NH3和氡等人们熟知的气体之外,还有各种挥发性有机化合物(VOC)。一般认为它们会对人体的呼吸系统、心血管系统及神经系统有较大影响,甚至有些还会致癌[21]。但是,据测室内的有害气体有数百种,将它们跟人体的不适感科学地联系起来是一项长期而艰苦的工作。另外,许多调查都显示,即使人们抱怨很频繁,但很多情况下并没有哪一种污染物单独超标。这一结果的最好解释是由于多种而不是单独某一种污染物的影响才导致了对IAQ的抱怨,同时也使得人们对现有污染物浓度指标的科学性和全面性提出怀疑。

4.2.2　污染源

新风量大小是空调设计规范中有关IAQ考虑最多的一个问题,在空调发展的不同阶段,相应的通风标准也不同。文献[18]介绍了70年代至90年代通风标准的发展,文献[4]则横向比较了美国、欧洲、德国、英国和北欧等通风标准的异同。

传统观念认为,新风是为了清除人所产生的生物污染,所以房间最小新风量仅由每人最小新风量指标确定。以单

人办公室为例,ASHRAE标准6221989中为36m3/(h・人)。随着科技的发展,现代建筑中装璜材料、家具、用品、通风空调系统本身均为污染源,并且其气味强度远远超过人所产生的。因此,在ASHRAE标准6221989R中,认为用以确定新风量的污染物来自人员和室内气体污染源两个方面,故房间最小新风量由每人最小新风量指标Rp,与每m

3

2

地板所需最小新风量指标Rb之和确定。以单人办公室为例,ASHRAE标准6221989R中为Rp=10.8m/(h・人),

Rb=1.26m3/(h・m2),最小新风量=人数×Rp+地板面积

固体颗粒污染除从室外和空调系统带入外,室内的燃料燃烧、二次扬尘等也是其产生的原因。各种微生物污染大多跟室内湿度和空调系统凝水等状况有关。当前人们主要采用避免扬尘、增加过滤、控制湿度等方式来避免这方面的污染。

相对而言,气态污染物的产生要复杂得多。除室外带入外,室内人体的新陈代谢会产生CO2和一些异味,建材、装饰材料会散发出NH3、氡和各种VOC。但是,目前了解某种污染源会产生多少污染、污染物间如何相互反应等问题是解决污染的关键[22]。从传统上来讲,控制污染源是避免污染的最好方式,但对有害气体的污染控制很难采用这种方式。这就需要将污染物的产排特性弄清,以利于采用其他手段。文献[23]的作者在这方面做了一些工作,对某种地毯散发VOC的特性进行了实验和模拟研究。

×Rb。这体现了人们观念的进步,同时也说明传统的空调系统设计会导致新风不足。

另外,随着室内负荷及换气效率的变化,为了减少能耗,空调运行中的室内送风量也会相应发生变化,但为了满足人的舒适健康而确定的设计新风量(DVR,Design

VentilationRate)不应该发生太大变化。ASHRAE标准6221989R中有关变风量控制的内容明确指出,在整个变风量

运行中,新风量要始终保证在设计新风量的90%以上。

4.1.2　新风清洁程度

新风清洁程度近来也受到人们的关注,这主要源于近年来室外环境逐步变化,空气污染严重,新风的质量下降。因此,有关新风处理的讨论也不断出现,国内有些学者便提出了新风三级过滤的设想。所谓新风三级过滤,就是将传

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4.3　通风气流组织

5　提高室内空气品质的手段

・39・

在暖通空调系统设计中,与室内空气品质关系十分密切的除新风和污染物以外,气流组织的设计至关重要。气流组织设计得好,不仅可以将新鲜空气按质按量地送到工作区,还可及时地将污染物排出,大大提高室内空气品质。

4.3.1　通风换气的评价

从以上的分析可知提高室内空气品质要做到标本兼治。控制污染源,防止室内污染物产生和室外污染物侵入是改善IAQ的根本,而改进HVAC系统的设计和运行则是提高IAQ的保证。

5.1　污染物控制

对于空调房间,提高新风量往往伴随着空调初投资与运行费用的增加。文献[24]中讨论了提高最小新风量对能耗及室内空气品质的影响。由于上述原因,在一定的新风量下,对室内空气分布状况进行研究就显得尤为重要。这种研究的目的是在一定的新风量下,如何合理地设计通风方式以便达到良好的房间通风换气效果。室内空气流动的基本形态以及房间局部存在的死区、短路等都将影响新鲜

空气的利用程度。所以,传统中的通风设计参数(如换气次数等)很难衡量房间的通风换气效果,由此出现了一些新的指标,如空气龄(空气进入室内以来的时间)等。

空气龄定量反映了室内空气的新鲜程度,它可以综合衡量房间的通风换气效果。文献[25]推导了空气龄的输运方程,并采用示踪气体和数值模拟方法对不同通风方式下房间的空气龄分布进行了实验和计算,并探讨了通风方式与室内空气龄的关系。

4.3.2　气流组织的研究方法和工具

在污染源控制方面,室外空气需进行清洁过滤处理,文献[33]对过滤器在提高室内空气品质方面的应用现状及前景做了一定的分析。另外我们还应监控室外空气状况,超标时能及时处理和控制,同时应隔离复印室等污染源并对其做一定处理,避免建筑内交叉污染。

对于建筑设计人员,应在建筑设计方案阶段就考虑到室内空气品质问题,如尽量选择低挥发性有机气体的材料,控制HVAC系统和建筑围护结构湿度以减少微生物生长,选择合理的自然通风方式以提高房间的通风换气效果等等。文献[34]利用实验及模拟的方法从舒适及健康的角度对建筑材料散发的挥发性有机气体做了研究,对合理选用建材提供了一些方法。国外近年来有一些示范建筑[35,36],其目的就是从建筑设计之初便充分考虑IAQ问题,以免对空调设计提出过高要求。

我国到目前为止仍缺乏综合考虑室内空气品质问题的建筑。如何将室内空气品质问题综合考虑到建筑设计和维护工作的具体实施中,实施效果如何,这些方面仍需探讨。

5.2　系统设计和运行

在室内空气流动的研究上,传统方法是利用射流原理进行分析和预测,或利用相似性原理进行模型实验。随着近年来的建筑空间日趋复杂化、大型化和多样化,前一种方法对许多问题无法给出令人满意的答案,而后一种方法需投入大量的人力、物力和花费较多的时间,有些问题甚至无法解决。设计人员在传统的设计方法下,难以预料不同通风方式下的气流组织情况,因而导致室内空气分布不合理的现象大量存在,这是产生室内空气品质问题的一个很重要的原因。

随着计算机的发展,利用计算流体力学对气流组织进行数值模拟的方法应运而生。数值模拟方法开始越来越多地进入暖通空调领域,用于分析速度场、温度场、污染物浓度场等。

目前,国外数值模拟方法在暖通空调领域应用较多。文献[26]利用低雷诺数K-ε模型对6种气流组织下的室内空气品质及热舒适状况进行了分析;文献[27]对办公室、体育场、地铁等6处强制通风下的空气流动做了分析;文献

[28]通过数值模拟分析了辐射热源及冷辐射板对室内空气

空调系统设计方面,需要最为迫切的便是一些规范的更新。目前在针对室内空气品质的问题上,我国仍没有在

HVAC系统及空气处理设备设计方面的具体要求与规范。

在国外,以ASHRAE标准6221989R为代表的一系列规范已经或正在逐步出台,其中对HVAC设计中的参数选择、设备选用和系统设计等提出了针对室内空气品质的许多具体要求[38],这也为我们提供了一些借鉴。

在通风设计方面,设计人员应正确选择最小新风量和换气次数。由于建筑内的窗户会影响围护结构的气密性、建筑的压力分布和气体平衡等,因此,应充分考虑建筑内窗户的影响,维持建筑内合理的压力分布,保证室内合理的通风换气效果。同时,可引入CO2监测器控制通风量,满足通风需要同时降低能耗等。

在设备选择上,新风和回风的过滤器是其中重点。新风三级过滤的设想可能在今后的某些具体空调设计中变为现实,而回风管道上具有VOC吸附效果的活性炭过滤器也会逐渐被设计人员接受。另外,能引起室内人员不适的噪声问题也应该引起重视,在这一点上要做到风机、消声器等设备的合理选择。

在系统运行时,要有专人负责维护,应连续监测控制建筑通风系统、室内温湿度及污染物指标,定期对系统进行检测与调试等,使系统的运行能保证室内的设计效果。新风过滤器和活性炭过滤器都要定期检查,根据情况进行清洗、

流动、温度分层、污染物分布等的影响。国内对数值模拟方法开展的研究和应用也越来越多。文献[29]对室内二维气流的速度场、温度场及浓度场进行模拟,计算了通风效率、温度效率等指标;文献[30～32]的作者开发出了用于计算通风房间风速、温度、相对湿度、污染物浓度、空气龄等的三维非稳态程序STACH23,可用于对房间的热舒适指标

PMV,PPD及通风效率和排污效率进行评价。

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2000年第30卷第3期　　　　　　　　　　　　・40・科技综述　　　　　　　　　

更换或再生;对于有凝结水产生的换热器和通风设备等,应在系统停止工作时保持通风直至凝结水干燥,以免滋生微生物。

6　结语

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室内空气品质是一门综合科学,除空气本身的质量外,还有一些不太清楚的因素在影响人们对环境的感觉和反应。到目前为止,室内空气品质的标准仍有许多是基于常识而不是科学,我们在今后的研究中仍需在理论上充分理解室内空气品质问题的本质。在实践上,如何将室内空气品质意识贯穿到有关人员的行动中是另一重大课题。目前,对室内空气品质问题的解决取得了很大的突破,但仍须大量研究人员长期不懈的努力。参考文献

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